吳娜 周亞素 張恒欽
1 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
2 上海良機(jī)冷卻設(shè)備有限公司
冷凝器,節(jié)流閥,蒸發(fā)器及壓縮機(jī)作為常規(guī)制冷系統(tǒng)的四大基本組件,其中冷凝器性能是評(píng)價(jià)整體制冷系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。不論在空調(diào)冷藏還是在生產(chǎn)工藝中,冷凝器都是非常重要的熱交換設(shè)備。冷凝器按其冷卻介質(zhì)和冷卻方式不同可分為風(fēng)冷冷凝器,水冷冷凝器和蒸發(fā)式冷凝器。與水冷式冷凝器和風(fēng)冷式冷凝器相比,蒸發(fā)式冷凝器具有節(jié)水、節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊占地面積少的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。
蒸發(fā)式冷凝器與水冷冷凝器和風(fēng)冷冷凝器主要的區(qū)別在于換熱過(guò)程中潛熱換熱占主要作用,有研究表明相對(duì)于風(fēng)冷或水冷凝式系統(tǒng),蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)可節(jié)能11%~70%[3-4]。換熱盤管作為蒸發(fā)式冷凝器最重要的部分,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了很多的研究,申江[5]等人利用實(shí)驗(yàn)證明了蒸發(fā)式冷凝器靠潛熱帶走熱量時(shí)具有更高的換熱效率。王少為[6]、蔣翔[7]等人建立蒸發(fā)式冷凝器試驗(yàn)臺(tái)研究風(fēng)量水量等相關(guān)參數(shù)對(duì)蒸發(fā)式冷凝器性能的影響,探究影響因素的最佳范圍值。
綜上可知,蒸發(fā)式冷凝器中風(fēng)量、水量對(duì)其性能影響意義重大,循環(huán)水作為制冷劑將熱量傳遞到空氣流的中間介質(zhì),它的溫度變化特征也需要進(jìn)一步的探究?;谧孕性O(shè)計(jì)搭建的蒸發(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái),本文擬研究分析在不同的風(fēng)量和水量下,蒸發(fā)式冷凝器噴淋區(qū)的循環(huán)水溫度分布特征,進(jìn)一步豐富噴淋區(qū)研究體系,為以后研究提供條件。
制冷系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)包括蒸發(fā)式冷凝器,節(jié)流閥,板式蒸發(fā)器,壓縮機(jī)以及一些輔助設(shè)備等。蒸發(fā)式冷凝器主要由換熱部分,水系統(tǒng),風(fēng)系統(tǒng)三部分組成,換熱部分包括換熱盤管以及填料,填料作用是冷卻循環(huán)水。噴淋水系統(tǒng)包括集水池、循環(huán)水泵以及噴嘴。風(fēng)系統(tǒng)包括進(jìn)風(fēng)口和風(fēng)機(jī)。圖1 為蒸發(fā)式冷凝器示意圖:
圖1 蒸發(fā)式冷凝器示意圖
蒸發(fā)式冷凝器的工作原理:來(lái)自壓縮機(jī)的高溫高壓制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器換熱盤管系統(tǒng),循環(huán)水泵從集水池抽水送到盤管上方的噴淋系統(tǒng),循環(huán)水由噴嘴噴淋到填料表面進(jìn)行冷卻,而后落到盤管上形成水膜,管內(nèi)制冷劑冷凝將熱量傳遞到水膜,水膜與空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換,風(fēng)機(jī)運(yùn)作,空氣在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下流過(guò)盤管,將熱量帶出蒸發(fā)式冷凝器,而未蒸發(fā)的噴淋水落入集水池,進(jìn)入下一次循環(huán)。由工作原理可知噴淋區(qū)包括循環(huán)水從填料區(qū)到換熱盤管區(qū)再到集水池整個(gè)區(qū)域。
蒸發(fā)式冷凝器中最重要的部分為換熱盤管,實(shí)驗(yàn)中換熱盤管參數(shù)見表1:
表1 換熱盤管參數(shù)
實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)及儀器見表2:
表2 測(cè)量參數(shù)及儀器
實(shí)驗(yàn)分析前引入兩個(gè)相關(guān)概念,迎面風(fēng)速和噴淋密度。迎面風(fēng)速u指單位橫截?fù)Q熱面積內(nèi)通過(guò)的風(fēng)量,單位為m/s。與風(fēng)量Gf關(guān)系式如下[8]:
式中:Vf為風(fēng)量,m3/h;Sf為進(jìn)風(fēng)口處截面積,m2。
噴淋密度Γ指單側(cè)傳熱管單位管長(zhǎng)內(nèi)的噴淋循環(huán)水流量,單位為kg/(m·s)。叉排管噴淋密度Γ與噴淋水量Gw關(guān)系式如下[8]:
式中:Gw為水量,kg/s;nt為每排管數(shù);L則為每根管長(zhǎng)度,m。
實(shí)驗(yàn)風(fēng)速選取范圍為:1.48~2.91 m/s,噴淋密度選取范圍為:0.02203~0.03452 kg/(m·s),空氣干球溫度25℃,濕球溫度為19.6℃,循環(huán)水補(bǔ)水溫度為21℃左右。探究不同風(fēng)速以及不同噴淋密度的情況下,循環(huán)水在噴淋區(qū)的溫度分布。
蒸發(fā)式冷凝器運(yùn)行工況分別為迎面風(fēng)速u為2.22 m/s、噴淋密度Γ為0.02803 kg/(m·s)和迎面風(fēng)速u為1.48 m/s、噴淋密度Γ為0.02203 kg/(m·s)時(shí)。觀察循環(huán)水落到水池后水池內(nèi)水溫隨時(shí)間變化過(guò)程,如圖2 所示。
圖2 循環(huán)噴淋水隨時(shí)間的變化
由圖2 可以發(fā)現(xiàn),兩個(gè)工況運(yùn)行時(shí)循環(huán)水溫度均會(huì)先隨時(shí)間變化,然后在15 分鐘左右穩(wěn)定,迎面風(fēng)速u為1.48 m/s、噴淋密度 Γ 為0.02203 kg/(m·s)的工況循環(huán)水溫最終穩(wěn)定在26.3℃左右。迎面風(fēng)速u為2.22 m/s、噴淋密度Γ為0.02803 kg/(m·s)的工況循環(huán)水溫最終穩(wěn)定在23.8℃左右。分析原因,迎面風(fēng)速小噴淋密度小時(shí),流過(guò)的空氣帶不走管內(nèi)工質(zhì)傳給水膜的熱量,導(dǎo)致循環(huán)水中的熱量累積,溫度升高。當(dāng)迎面風(fēng)速和噴淋密度都增加時(shí),空氣與水膜的接觸面積增加,流過(guò)的空氣可以帶走水膜中大部分的吸熱量。所以結(jié)論是循環(huán)水溫度經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,最終會(huì)達(dá)到一個(gè)溫度平衡點(diǎn),穩(wěn)定溫度值隨工況的不同有所變化。
蒸發(fā)式冷凝器管內(nèi)工質(zhì)的冷凝熱量主要靠空氣帶走,所以空氣流量對(duì)換熱盤管的換熱性能十分重要,實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率改變迎面風(fēng)速。剛運(yùn)行時(shí)循環(huán)水溫度會(huì)隨時(shí)間變化,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后循環(huán)水溫度基本穩(wěn)定,此時(shí)水池里穩(wěn)定的水溫隨風(fēng)速的變化如圖3 所示。圖中為蒸發(fā)式冷凝器運(yùn)行工況將噴淋密度分別調(diào)節(jié)為0.02203 kg/(m·s),0.02803 kg/(m·s),0.03452 kg/(m·s)。
圖3 循環(huán)噴淋水隨風(fēng)速的變化
如圖3,觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知循環(huán)水的溫度隨著迎面風(fēng)速的增加逐漸降低。這是由于迎面風(fēng)速的增加,管外空氣更新加快,帶走更多熱量,管外熱質(zhì)交換加劇,循環(huán)水溫度降低。同時(shí)發(fā)現(xiàn)迎面風(fēng)速在增加到一定量之后循環(huán)水溫度的降低趨勢(shì)在減小,這是因?yàn)榭諝夂退臒豳|(zhì)交換趨近飽和,迎面風(fēng)速的增加對(duì)循環(huán)水溫度影響變小。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),迎面風(fēng)速一定時(shí),實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)噴淋密度越大,循環(huán)水溫度越低。
由以上分析可得循環(huán)水的溫度總會(huì)穩(wěn)定在某一數(shù)值且與迎面風(fēng)速和噴淋密度有關(guān),在此基礎(chǔ)之上分析循環(huán)水在噴淋區(qū)沿高度方向上的溫度分布。為測(cè)試水膜溫度,在填料區(qū)上下各布置1 個(gè)熱電偶,換熱盤管區(qū)共8 排盤管,每排布置1 個(gè)熱電偶,集水池內(nèi)布置1 個(gè)熱電偶。圖4~9 為固定噴淋密度為0.02203 kg/(m·s),0.02803 kg/(m·s),0.03452 kg/(m·s)時(shí),通過(guò)改變風(fēng)機(jī)頻率得到的不同迎面風(fēng)速情況下循環(huán)水溫度縱向分布圖。
如圖4 和圖5,分別給出了風(fēng)速為1.48 m/s 和1.75m/s 時(shí)噴淋區(qū)由上到下循環(huán)水溫度的分布情況,從圖中可發(fā)現(xiàn)在換熱盤管第五排(測(cè)點(diǎn)7)處存在循環(huán)水溫度峰值,這是由于空氣從下部風(fēng)口到達(dá)此處時(shí)相對(duì)濕度增高,焓值增大,水膜表面水分難以蒸發(fā),空氣帶不走熱量,潛熱換熱效果變差。而循環(huán)水從填料中落下經(jīng)過(guò)四排盤管到達(dá)此處時(shí),循環(huán)水溫度增加,與管內(nèi)制冷劑溫差減小,顯熱換熱效果變差,因此循環(huán)水溫度峰值點(diǎn)即為換熱效果最差點(diǎn)。盤管部分循環(huán)水溫度峰值點(diǎn)縱向往上以顯熱換熱為主,往下以潛熱換熱為主。
圖4 迎面風(fēng)速為1.48 m/s 時(shí)水膜溫度分布
圖5 迎面風(fēng)速為1.75 m/s 時(shí)水膜溫度分布
圖6~8 為迎面風(fēng)速增加為2.02 m/s、2.22 m/s、2.47 m/s 時(shí)的循環(huán)水溫度縱向分布圖。觀察圖6~8,發(fā)現(xiàn)隨著迎面風(fēng)速的增加,循環(huán)水溫度峰值由盤管第五排(測(cè)點(diǎn)7)漸漸變?yōu)榈谌牛y(cè)點(diǎn)5)。
圖6 迎面風(fēng)速為2.02 m/s 時(shí)水膜溫度分布
圖7 迎面風(fēng)速為2.22 m/s 時(shí)水膜溫度分布
圖8 迎面風(fēng)速為2.47 m/s 時(shí)水膜溫度分布
從圖9~10 可以發(fā)現(xiàn),循環(huán)水溫度峰值穩(wěn)定在了盤管第三排。換熱盤管區(qū)潛熱換熱部分占比增加,顯熱換熱部分占比降低。
圖9 迎面風(fēng)速為2.65 m/s 時(shí)水膜溫度分布
圖10 迎面風(fēng)速為2.91 m/s 時(shí)水膜溫度分布
綜上可知,盤管部分的換熱由兩種方式組成,分別是水膜和管內(nèi)工質(zhì)的溫差顯熱換熱以及水膜表面的蒸發(fā)潛熱換熱。循環(huán)水溫度在噴淋區(qū)沿高度方向從上到下的整體趨勢(shì)是循環(huán)水先經(jīng)過(guò)填料進(jìn)行一定降溫冷卻,從填料落下后在接觸到盤管時(shí)溫度上升,上升到一個(gè)峰值后慢慢下降,并且隨著風(fēng)量一步步增加,循環(huán)水溫度曲線中的峰值溫度由盤管第五排(測(cè)點(diǎn)7)上移到第三排(測(cè)點(diǎn)5),這是因?yàn)轱L(fēng)量較小時(shí),空氣由下至上從風(fēng)口上升到盤管第五排(測(cè)點(diǎn)7)時(shí),相對(duì)濕度很高,水膜邊界層內(nèi)水蒸氣分壓力和主體空氣的水蒸氣分壓力存在差異很小,水分蒸發(fā)效果較差,盤管部分整體換熱大部分由管內(nèi)制冷劑和水膜的溫差推動(dòng),即以顯熱換熱為主。風(fēng)量增加后,空氣的更新速度加快,空氣在掠過(guò)盤管時(shí)相對(duì)濕度可以維持在較低的水平,水膜與空氣的質(zhì)量交換過(guò)程得到強(qiáng)化,蒸發(fā)散熱效果變好,同時(shí)風(fēng)速的增加加劇水膜表面的湍流程度,增強(qiáng)水膜和空氣的對(duì)流換熱,此時(shí)整體換熱由焓差推動(dòng),即以潛熱換熱為主。所以循環(huán)溫度峰值的上移是因?yàn)轱L(fēng)量的增加使?jié)摕釗Q熱量占總換熱量的比例增加,顯熱換熱量占比降低,蒸發(fā)式冷凝器整體換熱效率提高。
通過(guò)本實(shí)驗(yàn)研究分析可得以下結(jié)論:隨著風(fēng)量的增加,集水池內(nèi)循環(huán)水溫度逐步降低,且降低幅度會(huì)逐漸減小。在固定風(fēng)量水量工況下,循環(huán)水溫度最終會(huì)穩(wěn)定在某一溫度值。噴淋區(qū)縱向循環(huán)水溫度分布中存在峰值,且隨著風(fēng)量的增加,峰值位置上移,換熱區(qū)域的潛熱換熱量占比增加、顯熱換熱量占比減小,蒸發(fā)式冷凝器換熱效率提高。